大型矿用挖掘机总体设计软件系统框架构建课题报告

矿山重型装备应用基础与共性技术研究之大型矿用挖掘机总体设计软件系统框架构建课题报告（副卷）太原重型机械集团有限公司东北大学机械工程与自动化学院2009年10月II4d0a10819243afc6251f7605d478776f.pdf 摘要大型矿用挖掘机总体设计软件系统框架构建摘要在机械式挖掘机的设计方面，我国目前主要采用的还是50年代原苏联学者提出的设计理论，在方案初步设计，总体参数确定等方面的设计还停留在手工阶段，远没有实现数字化，这与国外已形成完善的软件系统水平有一定差距。故本文开发出“大型矿用挖掘机总体设计系统”，对改变落后的设计现状和提升传统企业创新能力是大有帮助的。本文将矿用挖掘机总体设计的各个过程涉及到的知识集成为一个系统，即大型矿用挖掘机总体设计系统，在分析用户显在和潜在需求的基础上，运用结构化软件设计方法，建立数据流图、数据字典，并将其映射为功能模块图，形成整个软件系统。系统采用ADO.NET技术连接数据库存储数据，将与数据库有关的操作封装在一个类里。该类设有8个成员函数，分别完成系统对数据库的存储读取查询等功能。该软件系统完成了总体设计的主要计算内容，结合矿山的开采工艺，确定挖掘机主要工作尺寸的几何参数和力能参数；将各种计算方法(回归方程、经验公式、优化设计、有限元设计)集成到一个系统，基本涵盖整个设计过程，便于主要设计者了解设计全貌；该系统还具有继承性、安全性、界面友好等特点，在国内具有开创意义，初步形成具有自己知识产权的设计体系，提高了企业的自主设计能力和竞争力。关键词: 数字化；挖掘机；结构化；集成；回归大型矿用挖掘机总体设计系统框架构建2 目录目录摘要II目录III第1章 绪论11.2 工作任务11.3 技术路线与软件开发方法1第2章 需求分析22.1 用户需求及目的22.1.1 功能需求与分析22.1.2 性能需求22.1.3 系统总模型32.1.3 系统结构图32.2 逻辑模型32.2.1 数据流图32.2.2 数据字典10第3章 系统设计193.1 总体设计193.1.1 总体设计的任务193.1.2 功能模块总体设计193.1.3 数据库总体设计223.2 详细设计223.2.1 详细设计的任务223.2.2 功能模块详细设计223.2.3 数据库详细设计25第4章 系统实现及相关技术364.1 系统对语言的要求及选择364.1.1 JAVA语言364.1.2 VC语言364.1.3 VB语言374.2 系统对数据库的要求及选择374.2.1 Access数据库374.2.2 Oracle数据库384.2.3 SQL Server数据库384.3 相关技术的研究与应用394.3.1连接数据库技术404.3.2 连接Matlab技术434.3.3 连接ANSYS结果444.3.4 仿真444.4 系统实例444.4.1 用户登录444.4.2 计算最大提升力454.4.3 样本生成48第5章 系统评价495.1 软件测试495.1.1 测试的任务及目的495.1.2 测试方案495.2 应用效果50第6章 结论51参考文献52附录54附录1 产品样本54IV大型矿用挖掘机总体设计系统框架构建2 第1章 绪论1.2 工作任务(1) 将设计过程中的参数设计（即力能参数确定）实现数字化，形成“大型矿用挖掘机总体设计系统软件”，为初步设计打下可靠的基础，完成详细设计。(2) 提升、推压力数字仿真、挖掘体积数字仿真。1.3 技术路线与软件开发方法(1) 技术路线首先，确定用户的需求并分析用户需求，从而建立逻辑模型、功能模型，最后，根据所建立的模型实现系统。(2) 软件开发方法目前流行的软件开发方法有很多种，本文采用较为经典的结构化方法进行软件开发。它是20世纪70年代初，由E.Yourdon和L.L.Cconstantine等人提出的，目前应用最为广泛的软件开发方法78。结构化方法包括结构化分析(SA)、结构化设计(SD)和结构化编程(SP) 9。结构化分析方法，是一种面向数据流的需求分析方法，适用于分析大型数据处理系统。在这种方法中，数据流是软件开发人员分析问题的出发点和基础。数据梳从系统的输入端进入系统后要经过系列的变换或处理，最后由输出端流出。为了描述这样的过程，可以用数据流图和数据字典这样有力的工具，实际上就是建立软件系统的逻辑模型9。结构化设计方法，就是在需求分析的基础上把数据流图转换为对软件结构的描述。它定义了一些不同的“映射”方法，利用这些映射方法可以把数据流图变换成软件结构图，所以这种也称为面向数据流的设计方法。通常，结构化设计分为总体设计及详细设计两个阶段。结构化编程方法，通过编写通用程序块，并被反复调用，使程序结构层次清晰，部分程序通用化，标准化，易于修改，简化程序的调试。是一种很好的编程方式10。通过结构化方法，本文将具体描述大型矿用挖掘机设计系统软件开发的全过程。18大型矿用挖掘机总体设计系统框架构建2 第2章 需求分析需求分析的任务是分析用户的显在和潜在需求，并提出解决方案来满足这些需求的过程，它把来自用户的信息加以分析提炼，从功能和性能上加以描述11。从而确定待定系统的逻辑模型12。2.1 用户需求及目的2.1.1 功能需求与分析(1) 用户需求用户根据企业自身的发展需要，提出以下需求： 反映出整个设计过程的的主要内容。 可进行基本的总体参数计算。根据待设计斗容量，确定整机重、推压轴高度、力能参数及铲斗的长、宽、高；方法：回归方程计算，经验公式计算，优化设计等。 显示有限元计算结果。 人机交互界面友好，易理解、易操作、易掌握。 不同的设计者以不同的权限使用本软件，以满足不同需求。 既有永久性的数据库供管理员存储设计计算结果；有有临时数据库以保证普通用户的数据存储问题。(2)用户需求分析经分析，前六项为用户的显在需求，其潜在需求是自动生成产品样本。2.1.2 性能需求根据用户的需求与分析，大型矿用挖掘机设计系统应满足如下性能需求：(1) 具有集成性、继承性和安全性；(2) 选择的数据库，语言应具有普遍性、易操作性；具有一定的先进性；(3) 可实现网络传输；(4) 具有一定的容错性。2.1.3 系统总模型根据以上功能和性能上的需求，并结合企业实际需要，系统应涵盖许多丰富的内容，其具体情况表述如图2.1所示。图2.1 总模型2.1.3 系统结构图根据系统总模型中所涵盖的内容，结合挖掘机设计要求，得到系统初步模型如图2.2所示。2.2 逻辑模型建立大型矿用挖掘机总体设计系统的逻辑模型，依据是其中子系统之间、参数与参数之间涉及到的数据的数学模型关系。2.2.1 数据流图要使软件分析得以成功，关键是要充分了解软件要处理的信息。面向数据流的结构化分析方法采用数据流程图(DFD)为描述软件系统中信息流提供了一个图形方11。数据流图是描述系统的逻辑模型，图中没有任何具体的物理元素，只是描述信息在系统中流动和处理的情况。数据流图的特点是：它是逻辑系统的图形表示，容易理解，是极好的通信工具13。图2.2 初步模型2.2.1.1 基本原则数据流设计的基本原则14如下：(1) 每个加工至少应有一个输入数据流(反映被处理数据的来源)和一个输出数据流(反映加工的结果)；(2) 数据流图中各构成元素的名称必须具有明确的含义是能够代表对应元素的内容或功能；(3) 对数据流图中某个加工进行细化生成的下层数据流图，称为其上层图的子图。应保证分层数据流图中任意对应的父图和子图的输入/输出数据流保持一致；(4) 在数据流图中，应按照层次给每个加工编号，用于表明该加工所处的层次及上下层的父图与子图的关系。编号规则为：顶层加工不用编号：第一层加工的编号为L，2，n。第二层加工的编号为11，12，2l，22，nl，等，依此类推。(5) 在父图中不要出现子图中涉及的局部数据存储文件。通常除底层数据流图中需表明所有数据存储外，为保持画面整洁各中间层数据流图只需显示处于加工之间的接口文件即可；(6) 数据流图只能由4种基本符号组成，是实际业务流程的客观映像，用于说明系统应该“做什么”，而不需要指明系统“如何做”；(7) 数据流图的分解速度应保持适中。通常一个加工每次可分解为24个子加工，最多不要超过7个，否则会增加用户理解的难度。同时注意，逐层精化必须适可而止；(8)如果为了便于数据流图在计算机上输入和输出，应免除斜线、弧线、圆等符号。2.2.1.2 数据流图(1) 数据流程所使用的符号介绍, 如图2.3所示。图2.3 数据流图符号说明(2) 顶层数据流图, 如图2.4所示。图2.4 顶层数据流图(3) 第2层分解的数据流图, 如图2.5所示。图2.5 总体设计数据流图(4) 第3层数据流图, 如图2.6-图2.8所示。图2.6 整机外型几何参数数据流图图2.7 整机性能参数数据流图图2.8 工作尺寸数据流图(5) 第4层数据流图，如图2.9-图2.12所示图2.9 初步计算最大提升力图2.10 初步计算最大推压力图2.11 计算最大挖掘半径图2.12 详细计算最大提升与推压力Fig. 2.12 Particular calculation of 2.2.2 数据字典2.2.2.1 数据字典的定义数据字典是对数据硫图中出现的所有数据元素、数据流、文件、处理的定义的集合。数据字典的作用是在软件分析和设计过程中提供数据描述，是数据流图必不可少的辅助资料。只有数据流图和对数据流图中每个元素的确切定义合起来才构成完整的系统规格说明9。2.2.2.2 数据流图与数据字典的关系数据流图与数据字典一起构成系统的逻辑模型。没有数据字典,数据流不能完整的描述软件需求,因为它没有描述数据流的内容,因此,缺乏严格的数据定义。同样没有数据流图,那么,对数据字典中的数据缺少加工功能的定义,以及数据来龙去脉的过程描述。数据流图中表示的是系统的功能和数据流的分解。数据字典中对数据的定义表现为对数据自顶向下的分解。数据字典由数据流图、加工、数据存储、数据元素(数据流和数据存储的组成部分)组成。数据字典严格定义了数据流图中所有元素,因此,数据流图的正确与否可通过对照数据字典的描述来验证15。2.2.2.3 系统数据字典本节将数据字典与数据流图中的细节结合起来，精确的描述本系统。样本参数见表2.1，回归结果见表2.2，提升力见表2.3，推压力见表2.4，优化方法数据见表2.5，部件参数见表2.6。表2.1 样本参数数据元素名称数据类型长度(字节)标准斗容积float8斗容范围上限float8斗容范围下限float8工作重量1930float8工作重量2210float8理论生产率float8履带板1930平均接地比压float8履带板2210平均接地比压float8履带最大牵引力float8配重float8提升速度float8推压速度float8行走速度float8循环时间90度float8最大爬坡角度下限float8最大爬坡角度上限float8最大提升力初步float8最大提升力详细float8最大推压力初步float8最大推压力详细float8尾部回转半径float8最大挖掘半径float8最大挖掘高度float8续表2.1数据元素名称数据类型长度(字节)最大挖掘深度float8最大卸载高度float8辅助变压器float8回转电动机额定功率float8开斗电动机功率float8输入电压float8提升电动机额定功率float8推压电动机额定功率float8行走电动机额定功率float8应承受的最小短路容量float8主变压器float8整机重量float8起重臂长度float8最大挖掘半径时的挖掘高度float8最大卸载半径float8最大卸载半径时的卸载高度float8最大卸载高度时的卸载半径float8停机地面上最大挖掘半径float8最大挖掘高度时的挖掘半径float8起重臂对停机平面的倾角char10斗臂长度char10双脚支架最大高度char10起重臂支脚中心高度char10起重臂支脚中心至回转中心的距离char10顶部滑轮上缘至停机平面高度char10顶部滑轮上缘至回转中心高度char10起重臂顶部滑轮直径char10机棚尾部回转半径char10机棚宽度char10续表2.1数据元素名称数据类型长度(字节)除尘装置顶部至地面高度char10机棚顶部至地面高度char10司机水平视线至地面高度char10配重箱地面至地面高度char10履带部分长度履带部分宽度1930charchar1010履带部分宽度2210char10履带驱动装置最低点距地高度char10表2.2 回归结果数据元素名称数据类型长度(字节)infovarchar50xvarchar50yvarchar50numint4imgimage16typevarchar50par1float8par2float8solutionfloat8表2.3 提升力数据元素名称数据类型长度(字节)最大提升力初步float8最大提升力经验公式上限float8最大提升力经验公式下限float8最大提升力经验公式float8续表2.3数据元素名称数据类型长度(字节)最大提升力回归方程float8最大提升力详细char10最大提升力工况float8最大提升力工况上限float8最大提升力工况下限float8最大提升力优化方法float8额定提升力初步float8额定提升力经验公式上限float8额定提升力经验公式下限float8额定提升力经验公式float8额定提升力回归方程float8表2.4 推压力数据元素名称数据类型长度(字节)最大推压力初步float8最大推压力经验公式上限float8最大推压力经验公式下限float8最大推压力经验公式float8最大推压力回归方程float8最大推压力详细char10最大推压力工况float8最大推压力工况上限float8最大推压力工况下限float8最大推压力优化方法float8额定推压力初步float8额定推压力经验公式float8额定推压力回归方程float8表2.5 优化方法数据数据元素名称数据类型长度(字节)铲斗外部宽度float8铲斗内部宽度float8动臂铰点距地面的高度float8刃角float8下斗唇与斗前壁夹角float8CI长度float8斗齿长度float8IK长度float8铲斗高度float8VG长度float8WP长度float8斗杆两铰点AC间距float8铲斗两铰点BC间距float8推压齿轮半径float8铰点C距斗杆距离float8斗杆宽度float8铲斗长度float8挖掘比阻力float8斗杆重量float8动臂重量float8铲斗重量float8提升速度float8推压速度float8卷筒提升绳与动臂夹角float8绷绳与动臂夹角float8动臂水平夹角float8推压提升时间float8续表2.5数据元素名称数据类型长度(字节)料堆角度int4初始角float8有效转角float8连杆AB的长度float8下节臂长float8动臂长float8推压中心到动臂距离float8天轮半径float8斗杆有效长度float8天轮向下偏心距float8开始挖掘时斗尖距料堆的水平距离float8对数螺旋线k值float8初始角1float8有效转角1float8连杆AB的长度1float8下节臂长1float8动臂长1float8推压中心到动臂距离1float8天轮半径1float8斗杆有效长度1float8天轮向下偏心距1float8开始挖掘时斗尖距料堆的水平距离1float8对数螺旋线k值1float8表2.6 部件参数数据元素名称数据类型长度(字节)L1float8L3float8L4float8L5float8L6float8L7float8L9float8L10float8L15float8L23float8L26float8L27float8L28float8L59float8L60float8L61float8动臂float8斗柄高度float8推压齿轮半径float8斗杆准有效长度float8动臂铰高float8动臂铰高上限float8动臂铰高下限float8动臂铰点至回转中心之距上限float8动臂铰点至回转中心之距下限float8动臂铰点至推压轴中心之距float8斗柄重float8铲斗重float8续表2.6数据元素名称数据类型长度(字节)满斗时物料重float8提升电机计算系数下限float8提升电机计算系数上限float8推压电机计算系数float8斗边切削宽度float8开始挖掘时切削厚度float8斗杆垂直动臂时切削厚度float8斗杆水平时切削厚度float8大型矿用挖掘机总体设计系统框架构建2 第3章 系统设计软件设计的总体目标是将需求分析阶段得到的目标系统的逻辑模型，变换为目标系统的物理模型。简单地说，就是根据需求分析的“做什么”，确定系统应该“怎么做”。包括确定能实现软件功能、性能要求集合的合理的软件系统结构，设计实现的算法和数据结构。通常将软件设计分为总体设计(又称概要设计)和详细设计(又称过程设计)两个阶段16。3.1 总体设计3.1.1 总体设计的任务总体设计的任务是确定软件的体系结构，软件体系结构指的是软件的总体结构以及该结构提供系统的功能的方式，也就是说软件体系结构是程序的一些部件（模块）的层次结构，这些部件相互作用的方式以及这些部件使用的数据结构17。软件的体系结构从总的方面决定了软件系统的可扩充性、可维护性以及系统的性能。所以对保证与提高软件的质量，起着至关重要的作用。3.1.2 功能模块总体设计根据需求分析所得到的系统逻辑模型，进一步分析，得到了系统的功能模块图,如图3.1(a)和图3.1(b)。本系统共有总体设计、机构设计、部件设计和验证计算四个子系统。(1) 总体设计：包括整机外型几何参数、整机性能参数、工作尺寸、传动和动力参数几大部分，对整个挖掘机的总体进行了初步设计。(2) 机构设计：包括提升推压机构、回转机构、行走机构、开斗机构、平衡与稳定性计算等几大模块，对挖掘机的几大重要机构进行设计计算。(3) 部件设计：包括铲斗、斗杆、起重臂、A型架、回转平台、中央枢轴、辊盘、底架梁、履带等几大重要部件进行设计计算。(4) 验证计算：对已有机型进行验证计算分析。图3.1 (a) 系统功能模块图图3.1 (b) 系统功能模块图3.1.3 数据库总体设计在总体设计阶段，主要对数据库进行逻辑设计，得到系统数据库的E-R图如下：图3.2 实体关系图3.2 详细设计3.2.1 详细设计的任务详细设计阶段的任务是在总体设计的基础上进一步确定如何实现目标系统。本节将主要对功能模块及数据库的具体设计提出详细方案。3.2.2 功能模块详细设计在总体设计中，工作尺寸中最大挖掘半径是个关键的参数，其中推压轴高度的确定是个难点，本系统参考四组数据计算推压轴高度：低位卸载高度、高位卸载高度、装载要求高度和经验公式计算的推压轴高度，综合考虑后确定推压轴高度，进而确定最大挖掘半径。具体过程见图3.3所示：图3.3 计算最大挖掘半径的程序流程图目前我国缺乏确定大型挖掘机总体参数的经验，在传统的设计方法中，多数采用经验公式确定总体参数，但是经验公式只适用于小型挖掘机，故本系统采用回归拟合的方法，根据相关样本数据，估算大型挖掘机总体参数，其具体过程如图3.4所示：图3.4 回归方程拟合的程序流程图在各种力能参数中，最大提升力的确定非常重要，本系统采用四种方法计算最大提升力：经验公式法、回归拟合法、典型工况法和优化算法，并将这四种计算方法的结果都显示在界面上，供用户参考，最终确定最大提升力。图3.5 计算最大提升力的程序流程图3.2.3 数据库详细设计在详细设计阶段中主要是数据库的物理设计，本系统数据库结构如下：Wk55见表3.1，Matlab见表3.2，优化方法优化值见表3.3，优化方法优化值2见表3.4，优化方法初始参数见表3.5，推压力见表3.6，提升力见表3.7，部件参数见表3.8，登录见表3.9，基本参数见表3.10。表3.1 Wk55数据元素名称数据类型长度(字节)设计方案Int4A型架最大高度Float8底架距地高度Float8机棚司机室总长度Float8机棚走道宽度Float8履带板宽度Float8履带外缘宽度标准Float8配重箱距地高度Float8标准斗容积Float8斗容范围上限Float8斗容范围下限Float8工作重量1930Float8工作重量2210Float8理论生产率Float8履带板1930平均接地比压Float8履带板2210平均接地比压Float8履带最大牵引力Float8配重Float8提升速度Float8提升速度下限Float8提升速度上限Float8推压速度下限Float8推压速度上限Float8推压速度Float8行走速度Float8行走速度上限Float8行走速度下限Float8循环时间90度Float8续表3.1数据元素名称数据类型长度(字节)最大爬坡角度下限Float8最大爬坡角度上限Float8最大提升力初步Float8最大提升力详细Float8最大推压力初步Float8最大推压力详细Float8水平清道半径Float8司机水平视高Float8尾部回转半径Float8最大挖掘半径Float8最大挖掘高度Float8最大挖掘深度Float8最大卸载高度Float8辅助变压器Float8回转电动机额定功率Float8开斗电动机功率Float8输入电压Float8提升电动机额定功率Float8推压电动机额定功率Float8行走电动机额定功率Float8应承受的最小短路容量Float8主变压器Float8方案描述Varchar50整机重量Float8起重臂长度上限Float8起重臂长度下限Float8起重臂长度Float8最大挖掘半径时的挖掘高度Float8最大卸载半径Float8续表3.1数据元素名称数据类型长度(字节)最大卸载半径时的卸载高度Float8最大卸载高度时的卸载半径Float8停机地面上最大挖掘半径Float8最大挖掘高度时的挖掘半径Float8起重臂对停机平面的倾角Char10斗臂长度Char10双脚支架最大高度Char10起重臂支脚中心高度Char10起重臂支脚中心至回转中心的距离Char10顶部滑轮上缘至停机平面高度Char10顶部滑轮上缘至回转中心高度Char10起重臂顶部滑轮直径Char10机棚尾部回转半径Char10机棚宽度Char10除尘装置顶部至地面高度Char10机棚顶部至地面高度Char10司机水平视线至地面高度Char10配重箱地面至地面高度Char10履带部分长度Char10履带部分宽度1930Char10履带部分宽度2210Char10履带驱动装置最低点距地高度Char10表3.2 Matlab数据元素名称数据类型长度(字节)infoVarchar50xVarchar50yVarchar50numInt4imgImage16par2Float8solutionFloat8表3.3 优化方法优化值数据元素名称数据类型长度(字节)设计方案Int4料堆角度Int4初始角Float8有效转角Float8连杆AB的长度Float8下节臂长Float8动臂长Float8推压中心到动臂距离Float8天轮半径Float8斗杆有效长度Float8天轮向下偏心距Float8开始挖掘时斗尖距料堆的水平距离Float8对数螺旋线k值Float8初始角1Float8有效转角1Float8连杆AB的长度1Float8续表3.3数据元素名称数据类型长度(字节)下节臂长1动臂长1Floatfloat88推压中心到动臂距离1Float8天轮半径1Float8斗杆有效长度1Float8开始挖掘时斗尖距料堆的水平距离1Float8对数螺旋线k值1Float8方案描述Varchar50表3.4 优化方法优化值2数据元素名称数据类型长度(字节)设计方案Int4料堆角度Int4挖掘结束时铲斗所挖体积Float8斗尖切向阻力Float8斗尖法向阻力Float8斗尖阻力合力Float8当前提升速度Float8当前推压速度Float8推压齿轮的法向力Float8提升卷桶的提升力Float8动臂铰点处垂直动臂方向的支反力Float8动臂铰点处沿动臂方向的支反力Float8提升绳与斗杆中心线的夹角Float8最大提升力Float8最大推压力Float8有效提升力有效推压力Floatfloat88续表3.4数据元素名称数据类型长度(字节)当前绷绳力Float8方案描述Varchar50表3.5 优化方法初始参数数据元素名称数据类型长度(字节)设计方案Int4铲斗外部宽度Float8铲斗内部宽度Float8动臂铰点距地面的高度Float8刃角Float8下斗唇与斗前壁夹角Float8斗齿长度Float8IK长度Float8铲斗高度Float8VG长度Float8WP长度Float8斗杆两铰点AC间距Float8铲斗两铰点BC间距Float8推压齿轮半径Float8铰点C距斗杆距离Float8斗杆宽度Float8铲斗长度Float8挖掘比阻力Float8斗杆重量Float8动臂重量Float8铲斗重量Float8提升速度Float8推压速度Float8续表3.5数据元素名称数据类型长度(字节)卷筒提升绳与动臂夹角绷绳与动臂夹角Floatfloat88动臂水平夹角Float8推压提升时间Float8方案描述Varchar50表3.6 推压力数据元素名称数据类型长度(字节)设计方案Int4最大推压力初步Float8最大推压力经验公式上限Float8最大推压力经验公式下限Float8最大推压力经验公式Float8最大推压力回归方程Float8最大推压力详细Char10最大推压力工况Float8最大推压力工况上限Float8最大推压力工况下限Float8最大推压力优化方法Float8额定推压力初步Float8额定推压力经验公式Float8额定推压力回归方程Float8方案描述Varchar50表3.7 提升力数据元素名称数据类型长度(字节)设计方案Int4最大提升力初步Float8最大提升力经验公式上限最大提升力经验公式下限FloatFloat88最大提升力经验公式Float8最大提升力回归方程Float8最大提升力详细Char10最大提升力工况上限最大提升力优化方法Floatfloat88额定提升力初步Float8额定提升力经验公式上限Float8额定提升力经验公式下限Float8额定提升力经验公式Float8额定提升力回归方程Float8方案描述Varchar50表3.8 部件参数数据元素名称数据类型长度(字节)设计方案Int4L1Float8L3Float8L4Float8L5Float8L6Float8L7Float8L9Float8续表3.8数据元素名称数据类型长度(字节)L10Float8L15Float8L23Float8L26Float8L27L28Floatfloat88L59Float8L60Float8动臂Float8斗柄高度Float8推压齿轮半径Float8斗杆准有效长度Float8动臂铰高Float8动臂铰高上限Float8动臂铰高下限Float8动臂铰点至回转中心之距上限Float8动臂铰点至回转中心之距下限Float8动臂铰点至推压轴中心之距Float8斗柄重Float8铲斗重Float8满斗时物料重Float8提升电机计算系数下限Float8提升电机计算系数上限Float8推压电机计算系数Float8斗边切削宽度Float8开始挖掘时切削厚度Float8斗杆垂直动臂时切削厚度Float8斗杆水平时切削厚度Float8方案描述Varchar50表3.9 登录数据元素名称数据类型长度(字节)用户名Char10密码Char10权限Varchar50表3.10 基本参数数据元素名称数据类型长度(字节)设计方案Int4台阶高度Float8斗容积Float8推压轴高度Float8挖掘比阻力上限Float8挖掘比阻力下限Float8挖掘比阻力Float8方案描述Varchar5035大型矿用挖掘机总体设计系统框架构建2第4章 系统实现及相关技术4.1 系统对语言的要求及选择根据对系统详细的分析与设计，实现本系统的语言应满足以下要求：(1) 能够与数据库进行有效连接；(2) 可以根据需要绘制必要的三维图形；(3) 可实现有些复杂的数学计算功能。(4) 便于掌握使用为满足本系统的设计要求，并综合考虑现代程序设计语言的发展方向（即倾向于面向对象编程），本系统拟定可供选择的编程语言有VISUAL C+、VISUAL BASIC、JAVA。4.1.1 JAVA语言JAVA语言有众多优点，如它的跨平台性能是其它语言所不能比的，另外，它与数据库的连接也是很方便的，它开发效率高，网络功能强大，是一种非常好的编程语言。但是，JAVA语言对图形图像开发的支持很不方便，很难调用Direct Api和OpenGL；调用自带组件和类又十分不便，不能很好的满足本系统根据需要绘制必要的三维图形要求18。所以，JAVA不是本系统的首选程序设计语言。4.1.2 VC语言从功能上讲，除了跨平台外，VC的是一种非常强大的程序设计语言，它支持COM，ActiveX，CORBA等组件的调用，可与数据库进行连接，可直接调用API，处理图形图像功能强大，且网络开发能力也能强，且编译出来的代码运行效率很高。然而VC对于本工程而言，最大的弊端是它的使用复杂，无论是与数据库的连接还是图形图像的处理都十分不便，导致系统开发效率极低。所以，VC适合高级程序员进行大型软件开发或者编写底层系统应用，而不适合本系统的开发。4.1.3 VB语言VB可调用COM,ActiveX组件，可利用控件与数据库进行连接，可调用Direct Api和自带的丰富图形图像处理类，并可进行一定程度的网络编程。其特点是使用方便，开发效率很高。而且VB语言有很好的帮助系统，且使用人数很多，与同行业交流十分方便。所以，VB适合工程技术人员，可以快速的掌握并应用，简单、方便、高效 ，一般开发的效率比较高。较适合工程应用。然而，VB语言本身功能的不完善从一定程度上限制了它的应用及发展。现在，微软推出了VB6.0的升级版VB.NET。它弥补了VB6.0的许多缺点，使VB可以实现许多以前VB程序员梦寐以求的强大功能19。综上，JAVA的图形处理不方便和VC的开发销率较低等特点使这两种语言不适合本系统的开发。故选定VB.NET语言编写本软件系统。4.2 系统对数据库的要求及选择数据库是计算机应用系统中的一种专门管理数据资源的系统。数据库系统不从具体的应用程序出发，而是立足于数据本身的管理，它将所有数据保存在数据库中，进行科学的组织，并借助于数据库管理系统，以它为中介，与各种应用程序或应用系统接口，使之能方便地使用数据库中的数据20。考虑到未来的发展需要，本系统应满足如下要求：(1) 数据库可处理大量数据，以满足对挖掘机设计的图纸管理等需要；(2) 有较高的安全性保障功能，以保证设计内容的保密性；(3) 可进行网络数据传输，以方便多用户设计；(4) 操作简单方便，易于掌握。4.2.1 Access数据库美国Microsoft公司于1994年推出的微机数据库管理系统。它具有界面友好、易学易用、开发简单、接口灵活等特点，是典型的新一代桌面数据库管理系统。Access作为Office套件的一部分，可以与Office集成，实现无缝连接，主要适用于中小型应用系统，或作为客户机/服务器系统中的客户端数据库。其处理大量数据的时性能及安全性较现在流行的大型数据库管理。本系统需要数据库可作为服务器端的数据库使用，而Access并不适合。且该数据库在处理大量数据时速度会受到明显影响，而且在安全性等方面也并不十分完善，故不适用于本系统。4.2.2 Oracle数据库美国Orcale公司研制的一种关系型数据库管理系统，是一个协调服务器和用于支持任务决定型应用程序的开放型RDBMS。它可以支持多种不同的硬件和操作系统平台，从台式机到大型和超级计算机，为各种硬件结构提供高度的可伸缩性，支持对称多处理器、群集多处理器、大规模处理器等，并提供广泛的国际语言支持。 Orcale是一个多用户系统，能自动从批处理或在线环境的系统故障中恢复运行。系统提供了一个完整的软件开发工具Developer2000，包括交互式应用程序生成器、报表打印软件、字处理软件以及集中式数据字典，用户可以利用这些工具生成自己的应用程序。Orcale以二维表的形式表示数据，并提供了SQL(结构式查询语言)，可完成数据查询、操作、定义和控制等基本数据库管理功能。Orcale具有很好的可移植性，通过它的通信功能，微型计算机上的程序可以同小型乃至大型计算机上的Orcale，并且能相互传递数据。另外Orcale还具有与C语言的接电子表格、图形处理等软件。 Orcale属于大型数据库系统，主要适用于大、中小型应用系统，或作为客户机/服务器系统中服务器端的数据库系统21。Orcale数据库的功能是相对完善的，它把OLAP和数据挖掘作为重要特点，在处理海量数据时更能显出其优越性，但本系统并不包含OLAP和数据挖掘方面的内容，考虑到有此功能的数据库相对成本较高且需要较高硬件配置，故本系统不选择Orcale数据库。4.2.3 SQL Server数据库美国Microsoft公司推出的一种关系型数据库系统。SQL Server是一个可扩展的、高性能的、为分布式客户机/服务器计算所设计的数据库管理系统，实现了与WindowsNT的有机结合，提供了基于事务的企业级信息管理系统方案。其主要特点如下：(1)系统管理先进，支持Windows图形化管理工具，支持本地和远程的系统管理和配置22。(2)强壮的事务处理功能，采用各种方法保证数据的完整性。(3) 存取速度：在Server级的数据库中，SQL Server的性能算是相当不错，及时单一表格数据在10万条时，仍有相当不错的表现，但在单机使用且条数不多时，速度上可能会比小型数据库慢些，但是为了企业长远打算，还是可以客服这一不足的23。(4)容易使用：SQL Server有简单的用户操作接口，不需要背指令也可轻松操作，易学易用，非常适合中等用户。(5)支持SQL语言：现在流行的数据库一般都支持SQL语言，SQL Server节省开发时间。(6)功能：SQL Server在NT平台上安装，和多种数据库格式沟通，且自动备份等Server级功能相当完备。(7)网络联机：SQL Server可以通过ODBC或其他方法联机，也可连接Internet。综上，故选择SQL Server 2000 为本应用程序的数据库。SQL Server 2000有几种版本，其特点如表4.1所示：表4.1 SQL SERVER 2000版本常用系统推荐安装SQL server版本WINDOWS 98WINDOWS 98SE个人版Desktop Engine(单机版可用，但不推荐) Windows 2000 Professional个人版（推荐）Desktop Engine (单机版可用，但不推荐) WINDOWS ME 个人版（推荐）WINDOWS XP个人版Windows 2000 ServerWindows NT serverWindows 2003 server标准版（推荐）企业版（推荐）个人版因本系统要求在WINDOWS XP下运行，故选用SQL SERVER 2000个人版。4.3 相关技术的研究与应用为实现用户需求，系统需要由几个软件，Matlab、ANSYS、SQLServer数据库以及自编制的软件集合而成，这样就需要与各个软件进行通信，为了解决软件间的通信问题，需用应用以下技术。4.3.1连接数据库技术4.3.1.1 连接数据库技术原理为了有效的、长久的存储有关计算数据，系统需要与数据库进行连接。考虑到系统已选用VB.NET作为开发语言，SQLServer数据库作为数据库，故采用ADO.NET技术连接数据库。ADO.NET是微软的Microsoft ActiveX Data Objects (ADO)的下一代产品，随着.NET 技术的推进，ADO.NET这种新的数据访问模型也随之而出现24。就其本质而言，ADO.NET是支持数据库应用程序开发的数据访问中间件，它是建立在.NET Framework提供的平台之上的25。它是.NET应用程序的数据访问模型。作为数据访问的架构，ADO.NET 主要设计为允许它工作在无连接的数据访问模式下来处理应用程序所需要的计算环境。它引入了ADO所没有的面向对象结构，让数据库应用程序的编写更加结构化。它提供对Microsoft SQL Server以及很多其它配备了OLE DB供应器的数据源和XML等公开数据源的一致访问，在访问数据库时得到广泛应用26。ADO.NET的结构分为以下几个部分：Connection对象提供与数据源的连接。Command向数据库发送的命令。DataReader直接读取数据流。它们与传统的ADO对象十分相似，但在.NET 应用程序中它们不能被直接使用，必须通过从它们继承而来的类进行数据库访问，即只通过OLEDB Connection, OLEDB Command和OleDbDatareader对象访问OLEDB提供的数据，通过SqlConnection，SqlCommand和Sql-DataAdapter访问SQL Server的数据。DataSet对象提供数据库的断开访问模式，然而它需要其他工具来初始化和创建数据表。DataAdapter对象提供连接DataSet对象和数据源的桥梁。DataAdapter 使用Command对象在数据源中执行SQL命令，以便将数据加载到 DataSet 中，并使对 DataSet 中数据的更改与数据源保持一致。使用Connection对象建立连接，然后使用Command对象通过SQL语句操作数据, 或者进一步使用 DataReader 对象，逐步从数据中获取数据并处理27。4.3.1.1 连接数据库技术的研究与应用对数据库进行操作，首先必须与数据库建立联系，接着发出SQL命令或存储过程告诉数据库打算进行什么样的工作，最后由数据库返回所需的数据记录。使用对象连接数据库主要通过Conneetion对象来完成。使用Command对象操作数据库。先定义Command对象，再设置属性来指定对数据库的操作28-30。为了实现以上过程，本系统专门创建了一个数据库类，共有8个成员函数，实现了4个方面的对数据库的读取查询等操作功能。(1) 在连接数据库方面的DatabaseConn和DatabaseExist，完成了测试数据库是否可以连接及测试数据库是否存在的功能。(2) 在数据库管理方面的RestoreDatabase和BackupDatabase，完成了对数据库的初始化及备份功能。(3) 针对回归方程拟合结果对系统的特殊作用，在数据库类中专门创建了两个成员函数SavePicture和Ope